基于工效學(xué)的航天服設(shè)計(jì)體系研究

基于工效學(xué)的航天服設(shè)計(jì)體系研究

天衣用于保護(hù)空間環(huán)境和顱內(nèi)壓縮性對(duì)人體的損害，不應(yīng)對(duì)穿著造成不良的衣服起到損害。其中的工效學(xué)問題雖已得到相應(yīng)解決,但缺乏工效學(xué)的理論指導(dǎo)與運(yùn)用,從而影響服裝設(shè)計(jì)的科學(xué)性與效率。Абрамов等在專著里首次運(yùn)用了工效學(xué)(亦稱功效學(xué)),但在服裝設(shè)計(jì)中沒有系統(tǒng)地應(yīng)用工效學(xué)的概念。本文試圖對(duì)這些學(xué)科性內(nèi)容加以明確與完善。航天服工效學(xué)是研究服裝結(jié)構(gòu)與服內(nèi)環(huán)境工效的學(xué)科,其基本內(nèi)容:一是通過人體測(cè)量,提供外殼形態(tài)學(xué)設(shè)計(jì)尺寸,解決不舒適性、不適體性與空間性,并改善對(duì)人體產(chǎn)生的心理生理影響;二是關(guān)節(jié)活動(dòng)必需的力學(xué)要求,解決姿態(tài)和活動(dòng)性能,減少人體費(fèi)力、疲勞與耗能,并由此而引起的心理生理障礙;三是通過服裝工程學(xué)(包括環(huán)境控制)解決服內(nèi)環(huán)境(溫度等)對(duì)工效的影響。人體測(cè)量學(xué)在航天服尺寸設(shè)計(jì)上的運(yùn)用航天服尺寸設(shè)計(jì)體系利用人體靜態(tài)測(cè)量獲得的數(shù)據(jù),制成國(guó)家的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn),然后再針對(duì)航天員的具體情況,制定航天服尺寸設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)已建立了5種航天服尺寸設(shè)計(jì)體系。定做按每個(gè)人實(shí)測(cè)尺寸進(jìn)行單件制作。雖然在合身和活動(dòng)性方面較好,但不經(jīng)濟(jì),僅適應(yīng)于航天員數(shù)量少的載人航天初期階段。5種型號(hào)尺寸體系蘇/俄的軟型(織物)航天服采用該體系。表1中航天服型號(hào)尺寸取胸圍的1/2。表2是52號(hào)航天服的長(zhǎng)度類尺寸表。這些高度類別又細(xì)分為6個(gè)分檔。按這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)尺寸表,即可選定適于各自的航天服。例如,某一航天員的胸圍為104cm,身高為175cm,下肢為80cm,上肢為98cm,軀干為95cm(身高-下肢長(zhǎng))時(shí),由兩個(gè)表可得出結(jié)論,該航天員應(yīng)選定的航天服尺寸是52號(hào)(航天服尺寸號(hào),表1)-Ⅳ(身長(zhǎng)號(hào),表2)-5(軀干號(hào),表2)-3(褲長(zhǎng)號(hào),表2)-5(袖長(zhǎng)號(hào),表2)。通用與選用相結(jié)合的尺寸體系服裝的胴體部位只有一個(gè)尺寸,大家通用,袖子與褲子則根據(jù)自身的尺寸,選用標(biāo)準(zhǔn)表2上的尺寸。蘇/俄“和平”號(hào)空間站服采用該體系。定做與選用相結(jié)合的尺寸體系服裝胴體定做,袖子與褲子則選用標(biāo)準(zhǔn)表上的尺寸。美國(guó)阿波羅服采用該體系。國(guó)際性尺寸大體系針對(duì)國(guó)際人員參加美國(guó)航天飛機(jī)飛行的趨勢(shì)增加,制定了適用于各國(guó)志愿者選用的航天服大體系,提供了世界人口尺寸范圍的標(biāo)準(zhǔn)。辦法是抓兩頭帶中間,即以美國(guó)白種與黑種人男性的尺寸代表世界上屬于大號(hào)身材,以日本女性代表小號(hào)身材的尺寸。服裝功能模塊方面的測(cè)量改善在進(jìn)行外殼形態(tài)學(xué)的設(shè)計(jì)時(shí),需要在人體靜態(tài)測(cè)量值的基礎(chǔ)上,放大尺寸,進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量,即在外殼與體表面(實(shí)際是內(nèi)衣)之間保留一定的間隙(空氣層),以滿足如下兩方面的工效學(xué)要求。一是功能性放大。滿足穿脫方便、舒適性好(無局部刺激性)、呼吸與活動(dòng)自如、不干擾或限制人體的活動(dòng)。為確定放大量,單純依靠靜態(tài)的人體測(cè)量尺寸已不能滿足要求,尚須知道人體的動(dòng)態(tài)尺寸,即知道靜動(dòng)二者測(cè)量之差值。如在深吸氣時(shí)的動(dòng)態(tài)測(cè)量值使胸圍改變3.1~4.6%,這相當(dāng)于5cm。二是結(jié)構(gòu)性放大。服裝的胴體呈園筒狀,其直徑是按胸圍尺寸制定的,從而使腹部多余一定空間,可用于安置通風(fēng)管道和電信接頭以及儀器等。全身也要考慮安置通風(fēng)管道的放大尺寸。體圍的變化在太空失重條件下,由于脊柱減少壓縮而伸長(zhǎng),致使身高增加(約3%)。由于體液的一部分移向上身與頭部,相應(yīng)部位的體圍有所改變。由于體液?jiǎn)适?身體總質(zhì)量減少3%~4%。這些人體尺寸的改變,應(yīng)運(yùn)用人體測(cè)量學(xué)在服裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上得到體現(xiàn)。人體力學(xué)是航天服活動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一艙內(nèi)空間布局、艙門和通道直徑尺寸等的確定,對(duì)航天服容積具有限制性要求。在充氣加壓狀態(tài),其膨脹度不得超過該要求。人體力學(xué)在航天服活動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的運(yùn)用人體力學(xué)是研究人體活動(dòng)與在各種力學(xué)作業(yè)條件下活動(dòng)能力的專業(yè)。針對(duì)航天失重環(huán)境下人體活動(dòng)與力學(xué)特征以及航天服活動(dòng)結(jié)構(gòu)對(duì)人體的干擾程度,再按人體力學(xué)要求進(jìn)行服裝設(shè)計(jì)?？疾旆b在使用過程中所注意的部位航天員在執(zhí)行艙內(nèi)、特別是艙外任務(wù)中,需要完成多方位的靈活性極強(qiáng)的動(dòng)作。航天員在3個(gè)坐標(biāo)平面上需要經(jīng)常進(jìn)行多種動(dòng)作。如在額狀面上外展與內(nèi)收;在冠狀面上,離開矢狀面,身向側(cè)轉(zhuǎn),或者向著矢狀面,身向中間轉(zhuǎn);身體各部分之間或伸展或彎曲;面向下,或向上、向后;身體繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng),或部分的拉長(zhǎng);身體向前方或向后方。表3為完成7種任務(wù)時(shí)各關(guān)節(jié)活動(dòng)的估計(jì)數(shù)。執(zhí)行大型空間望遠(yuǎn)鏡任務(wù)(安裝與檢修等),需要活動(dòng)的關(guān)節(jié)最多(全參加)。腕部活動(dòng)同手的活動(dòng)分不開。手的動(dòng)作需要腕關(guān)節(jié)靈活配合,手指的有些動(dòng)作也需要腕關(guān)節(jié)。航天員在航天器周圍執(zhí)行任務(wù)時(shí),常常需要利用扶手或把手移動(dòng)身軀。肘關(guān)節(jié)特別適用于線性或橫向可達(dá)到距離的一些任務(wù)。腰部活動(dòng)在執(zhí)行檢修大型空間望遠(yuǎn)鏡任務(wù)中起重要作用。如:當(dāng)腳被固定時(shí),清潔望遠(yuǎn)鏡的較低部分;從腿上的口袋里取工具;回收零散的工具和衛(wèi)星組件等。圖1顯示了因服裝腰部不能彎曲,只好采用如圖所示的臀部彎曲。臀部活動(dòng)在艙內(nèi)外執(zhí)行任務(wù)中,經(jīng)常會(huì)遇到下肢內(nèi)收外展、轉(zhuǎn)動(dòng)(向側(cè)面或中間)與彎曲(股骨向上抬高,小腿向下彎曲動(dòng)作)等。膝部活動(dòng)用于航天員腳被固定時(shí),為了發(fā)揮最大的能力,如:跪著搬動(dòng)貨物或穿著航天服就近活動(dòng)等。踝部活動(dòng)性的要求比較局限。當(dāng)飛船返回或下降時(shí),腳被固定,為完成飛船用腳控制,均需踝關(guān)節(jié)具有良好活動(dòng)性。系變化的影響航天員在空間(艙外)執(zhí)行復(fù)雜而又艱難的任務(wù)時(shí),需要具有一定的力量與力距。在太空無重力環(huán)境,會(huì)產(chǎn)生人體重心、力量、姿態(tài)、視景、穩(wěn)定性和工作模式等一系變化。其中在人體力學(xué)方面盡管物體沒有重量,但固有質(zhì)量依然存在,搬運(yùn)起來仍需要一定力量。肌肉所能達(dá)到的最大力矩也明顯降低,只有地面上靜止?fàn)顟B(tài)最大力矩的66.6%。設(shè)計(jì)航天服的基本要求之一是體現(xiàn)省力與節(jié)能的人體力學(xué)要求,應(yīng)將活動(dòng)部位的阻力降到最低限度,借以減少肌肉力(能量)的消耗。航天服工效學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀在地球重力下人體坐、立、行、跳均能保持正常的狀態(tài)(或體位)。這是由神經(jīng)-肌肉-骨骼系統(tǒng)同平衡器官調(diào)節(jié)完成的。在空間失重狀態(tài)下,這一套靈活的調(diào)節(jié)機(jī)制完全失靈。身高增加,會(huì)導(dǎo)致相關(guān)部位的相對(duì)位置改變;克服重力的肌肉張力被解除會(huì)使人體轉(zhuǎn)變?yōu)槭е靥卣鞯淖匀蛔藨B(tài)。航天服外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),必須適應(yīng)這些人體力學(xué)生理基礎(chǔ)的改變。針對(duì)如上所述的航天員在天上作業(yè)時(shí)各關(guān)節(jié)動(dòng)作特征,以及失重所引起的肌肉系統(tǒng)和姿態(tài)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的特有改變,在運(yùn)用人體力學(xué)(俄、美均稱為生物力學(xué))要求的基礎(chǔ)上,制定了相應(yīng)的航天服設(shè)計(jì)規(guī)范,為服裝具有良好活動(dòng)性能提供了標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)。表4分別是美國(guó)航天飛機(jī)艙外服和俄國(guó)“和平”號(hào)空間站海鷹-DMA服關(guān)節(jié)不同活動(dòng)型式的部分實(shí)測(cè)值。這些數(shù)據(jù)同設(shè)計(jì)規(guī)范略有差別,表明在服裝結(jié)構(gòu)上的實(shí)現(xiàn)有一定難度。航天服工效學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀現(xiàn)在使用的航天服美國(guó)與蘇/俄兩個(gè)航天大國(guó)正在使用的艙外航天服,經(jīng)過37年來的改進(jìn)與提高,已能滿足短時(shí)間(8h以內(nèi))執(zhí)行任務(wù)的工效學(xué)要求,解決了舒適性、適體性、空間性、一般的活動(dòng)性以及有關(guān)的心理生理障礙。在太空艙外穿著又笨又硬的航天服,航天員可以完成難度較大的動(dòng)作,如:航天員完成了修復(fù)高難度的哈勃望遠(yuǎn)鏡等。但按高標(biāo)準(zhǔn)要求,活動(dòng)性能尚有缺欠,安全性也存在問題。為了保證良好的活動(dòng)性能,服內(nèi)環(huán)境的氧氣壓力只能限于0.23~0.40大氣壓力,低于預(yù)防高空減壓病的安全限(0.5大氣壓力以上)。最新型高性能航天服該類型航天服已發(fā)展到數(shù)種類型,如:AX系列服、AES服與ZPS服等。這些類型服由于在活動(dòng)關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)方面采用了等容結(jié)構(gòu)等先進(jìn)技術(shù)與工藝,取得了突破性進(jìn)展.其突出的優(yōu)點(diǎn)是:工作壓力高(1/2大氣壓力以上,55.2kPa),可徹底預(yù)防減壓病;